CN102944917A - 分光合光器件及其制造方法、掺铒光纤放大器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种分光合光器件及其制造方法、掺铒光纤放大器，分光合光器件由两根光纤熔融拉锥而成，且分光合光器件的中部具有熔融拉锥区，熔融拉锥区的第一侧具有接收第一波长的第一入射光束的第一光输入端口及接收第二波长的第二入射光束的第二光输入端口，熔融拉锥区的第二侧具有输出第一入射光束按预定耦合比与第二入射光束合光形成的第一出射光束的第一光输出端口及输出第二入射光束按互补耦合比分光形成的第二出射光束的第二光输出端口。本发明还提供上述分光合光器件的制造方法以及具有上述分光合光器件的掺铒光纤放大器。本发明提供的分光合光器件能同时实现对光束的分光与合光，便于掺铒光纤放大器的小型化。

Description

分光合光器件及其制造方法、掺铒光纤放大器

技术领域

本发明涉及一种光学器件，尤其涉及一种用于对光束进行分光及合光的分光合光器件以及这种分光合光器件的制造方法、具有这种分光合光器件的掺铒光纤放大器。

背景技术

现代的网络通信大量使用分光器件或合光器件，现有的分光器件或合光器件大多是使用对光纤熔融拉锥的方法制作而成。例如，公开号为CN1932566A的中国发明专利申请以及公开号为CN102520485A的中国发明专利申请均公开了分光/合光器件的制造方法，这些方法均是将两根或多根光纤绞合后进行熔融拉锥的方式制造光耦合器，即分光/合光器件。

熔融拉锥通常是将两根或多根光纤绞合在一起，并对绞合的部分进行加热至熔融状态，同时缓慢地将光纤的两端拉伸，制作成熔融拉锥器件(FBT)。熔融拉锥器件是一种全光纤型器件，其具有损耗小和体积小的优点，在光通信系统中得到广泛应用。

根据光纤的模耦合理论，若一段光纤的波导中可以传输多个模式，当存在微扰时，如外界电磁场、应力、波导直径变化等，这些模式之间将发生能量交换。熔融拉锥器件就是通过对光纤进行熔融拉锥，使光纤内的波导直径发生变化，从而使能量在各种模式间发生交换。这样，可以实现对光束能量的重新分配。

参见图1，一段双光纤的熔融拉锥区可被分成A1、A2、A3三个部分，相邻的两个部分的分界点为P、Q两点。当光纤直径逐渐减小时，纤芯直径也等比例地减小，归一化截止频率同时减小，纤芯中的模场逐渐扩大，在P、Q点归一化频率减至单位值1。此时模场不再限制于纤芯中传输，而是转换至光纤的包层或空气构成的波导中传输。

光纤中熔融拉锥区的直径可用图2所示的模型近似，其中W为加热源，如火头的宽度，也就是熔融拉锥区的宽度，L为光纤的单侧拉伸长度，拉伸前光纤的直径为D₀。假设在宽度W之内的熔融拉锥区的直径为常数，则在熔融拉锥区的两侧光纤的直径将按指数规律增加。根据体积守恒原理，进行熔融拉锥后光纤中各部分的直径D如式1所示。

$D=\left\{\begin{array}{cc}{D}_0\exp (-\frac{L}{W})& \left|Z\right|\≤\frac{W}{2}\\ D_0\exp \left(\frac{\left|Z\right|-L-W}{2W}\right)& \frac{W}{2}\≤\left|Z\right|\≤L+\frac{W}{2}\\ D_0& \left|Z\right|\≥L+\frac{W}{2}\end{array}\right.$ (式1)

两根光纤绞在一起熔融拉锥，模式的耦合发生在宽度W之内，耦合功率P为：

$P=F^2{\sin }^2\left(\frac{\mathrm{CZ}}{F}\right)$ (式2)

式2中C为耦合系数，F²为最大耦合比，Z为耦合区长度，此处Z=W。其中，耦合系数C为

$C=0.021\frac{{\mathrm{\λ}}^{2.5}}{r^{3.5}}$ (式3)

式3中，λ为在光纤中传播的光束的波长。并且，式2中最大耦合比F²是

$F^2={[1+\left(\frac{234r^3}{{\mathrm{\λ}}^3}\right){\left(\frac{\mathrm{\Δr}}{r}\right)}^2]}^{-1}$ (式4)

其中，

$r=r_0\exp (-\frac{L}{W})$ (式5)

其中，上述的式子中r为耦合区光纤半径，Δr为两光纤半径的差值，从式3可以看出，当耦合区的两根光纤的半径相等时，最大耦合比为1，当两根光纤半径不相等时，最大耦合比小于1。

然而，实际情况与上述近似模型稍有差别，例如，近似模型的熔融拉锥区的宽度W内的光纤直径为常数和耦合发生在宽度W内这两个假设与实际情况不尽相同，实际情况是，光纤直径是渐变的，耦合发生在图1中的P、Q两点之间，但这并不影响近似模型的意义，因为P、Q两点之间的模式耦合系数处处不同，其耦合功率需要采用数值计算，不利于对耦合规律的分析。如果将其等效为一段均匀耦合系数的熔融拉锥区，耦合系数为实际耦合系数的加权平均值，即为近似模型，得到式2所示的耦合规律，以利于进一步分析各种熔融拉锥器件的原理。

例如，取熔融拉锥区宽度W为2毫米，取拉伸前光纤直径D₀为50微米，两光纤半径的差值Δr为零，由式2得到波长为1550纳米与波长为1310纳米的光束的耦合比随拉伸长度变化关系如图3所示。图3所示的曲线图是从熔融拉锥后的光纤一端输入特定波长的光束，从光纤的另一端检测光束的出射时功率曲线，出射光束的功率与入射光束的功率比即为耦合比。

从图3可见，波长为1550纳米的光束比波长为1310纳米的光束先发生耦合，随着光纤的拉伸长度增加，两束光束的耦合比在0与100％之间循环且循环频率越来越快，并发生波长为1550纳米的光束与波长为1310纳米光束的谱线交错，即波长为1550纳米的第n+1次循环先于波长为1310纳米的第n次循环。

例如，在图3中的A点处波长为1550纳米的光束耦合比为50％，而在B点处，波长为1310纳米的光束耦合比也为50％，在C点处波长为1550纳米的光束耦合比第一次到达100％，在D点处，波长为1550纳米的光束耦合比与波长为1310纳米的光束的耦合比相同。

类似地，波长为1550纳米的光束与波长为980纳米的光束也发生类似的情况，即随着光纤的拉伸长度增加，波长为1550纳米的光束与波长为980纳米的光束的耦合比在0与100％之间循环且循环频率越来越快，并发生波长为1550纳米的光束与波长为980纳米光束的谱线交错，也就是波长为1550纳米的第n+1次循环先于波长为980纳米的第n次循环。

如果将两根光纤绞合后进行熔融拉锥，两根光纤的纤芯将融为一体，则从一根光纤入射的光束的光功率将在两根光纤的光输出端分别出射，且从一根光纤出射的光束的耦合比将与从另一根光纤出射的光束耦合比互补，即从两根光纤出射的光束的耦合比之和为100％。因此，本文称其中一个为耦合比，另一个为互补耦合比。

利用熔融拉锥光纤的上述特性，人们制造出对波长不同的光束进行合光或分光的器件，如图4所示，现有的一种合光器件由两根光纤熔融拉锥而成，其中部具有熔融拉锥区11，熔融拉锥区11的一侧具有两个光输入端口12、13，分别是两根光纤的入射端口，熔融拉锥区11的另一侧具有光输出端口14。

这种合光器件的制造方法如公开号为CN1932566A的中国发明专利申请所揭示的，首先需要将两根光纤绞合，然后对绞合地地方进行加热并对光纤两端进行拉伸。为了确保熔融拉锥后的光纤达到预定的耦合比，通常在拉伸的时候需要对光纤的耦合比进行检测。如图5所示，对绞合后的光纤21、22熔融拉锥过程中，需要向光纤21、22的光输入端口，也就是制成后的合光器件的光输入端口12、13注入测试信号，测试信号通常是由激光器27、28发射具有特定波长的激光。同时，在光纤21、22的光输出端口24、25上使用光功率器29、30检测出射光束的光功率。

为了使从光输入端口12、13入射的光束均从光输出端口24输出，而光输出端口25没有光能输出，通常是一边进行熔融拉锥，一边对光输出端口24、25的出射光束的光功率进行检测。如检测光输出端口24上两种不同波长的光束的耦合比大致为100％，且光输出端口25上基本没有光能输出时，停止熔融拉锥。停止熔融拉锥后，可以将与光输出端口25连接的一端光纤截断，这样就形成了具有三个端口的合光器件。

如图4所示的，两束光束分别从光输入端口12、13入射，在熔融拉锥区11内合光后从光输出端口14出射，从光输出端口14出射的光束的光功率理论上是两束入射光束的光功率之和，即从光输入端口12、13入射的光束的耦合比均为100％。

若将光束从端口14注入，从端口12、13出射的两束光束的光功率大致相等，且两束出射光束的光功率之和大致等于入射光束的光功率，这样合光器件就实现分光的功率，作为分光器件使用。

这种分光/合光器件在诸如掺铒光纤放大器等光学器件中有非常普遍的应用。如图6所示，在分路结构的掺铒光纤放大器中，输入端口51与耦合器52连接，耦合器52的一个输出端口连接至光电探测器53，另一个输出端口通过光隔离器54向合光器件58输出信号光。泵浦光源56输出的泵浦光经过分光器件57的分光，分光后的泵浦光一路注入到合光器件58中用于将信号光的光功率放大，另一路泵浦光注入到另一个合光器件61中。

合光器件58对信号光与泵浦光合光后，将光束输出至掺铒光纤59中，由泵浦光对信号光的光功率进行放大，并经过光隔离器60后入射到合光器件61中。合光器件61再次对信号光与泵浦光进行合光，并输出至另一段掺铒光纤62中，泵浦光再次对信号光的光功率进行放大，经过光隔离器63及耦合器64后输出到掺铒光纤放大器的输出端口66。

由于这种结构的掺铒光纤放大器使用分光器件57对泵浦光进行分光，并使用合光器件58对分光后的泵浦光与信号光进行合光，也会造成掺铒光纤放大器的生产成本较高，且不利于掺铒光纤放大器的体积小型化。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种既能对光束进行分光且同时对光束进行合光的分光合光器件。

本发明的另一目的是提供上述分光合光器件的制造方法。

本发明的再一目的是提供一种生产成本较低且体积较小的掺铒光纤发放大器。

为了实现上述的主要目的，本发明提供的分光合光器件由两根光纤熔融拉锥而成，且分光合光器件的中部具有熔融拉锥区，熔融拉锥区的第一侧具有接收第一波长的第一入射光束的第一光输入端口及接收第二波长的第二入射光束的第二光输入端口，熔融拉锥区的第二侧具有输出第一入射光束按预定耦合比与第二入射光束合光形成的第一出射光束的第一光输出端口及输出第二入射光束按互补耦合比分光形成的第二出射光束的第二光输出端口。

由上述方案可见，分光合光器件的两个输入端口分别接收两种波长不同的光束，两个输出端口分别输出第一出射光束及第二出射光束，第一出射光束是由第一入射光束按预定耦合比与第二入射光束合光后的光束，第二出射光束是第一入射光束按互补耦合比分光后的光束。这样，第一入射光束在熔融拉锥区内按一定的分光比分光，且分光后的一部分与第二入射光束合光形成第一出射光束，分光后的另一部分为第二出射光束输出。可见，分光合光器件能够对第一入射光束进行分光，且能够将第一入射光束与第二入射光束进行合光，且分光与合光均在熔融拉锥区内完成，即在分光的同时完成合光的性能。

为实现上述的另一目的，本发明提供的分光合光器件的制造方法包括将两根光纤绞合并进行熔融拉锥，向两根光纤的输入端口分别输入第一波长的第一入射光束及第二波长的第二入射光束，分别检测从两根光纤的输出端口出射的第一出射光束及第二出射光束的光功率，在检测第一出射光束的光功率为第一入射光束按预定耦合比与第二入射光束合光后的光功率时，停止熔融拉锥操作。

由此可见，在熔融拉锥的过程中，对第一出射光束的光功率进行检测，检测第一出射光束的光功率满足是第一入射光束按预定耦合比与第二光束合光时的光功率停止熔融拉锥，能够确保第一入射光束经过分光后与第二入射光束合光后输出，即实现第一光束的分光，且分光后与第二光束合光。

一个优选的方案是，停止熔融拉锥前，检测第二出射光束的光功率是否为第一入射光束按互补耦合比分光后的光功率。

可见，通过对第二出射光束的光功率进行检测，能够确保第一入射光束是按照预定的分光比进行分光，保证制造后的分光合光器件性能满足设计要求。

为实现上述的再一目的，本发明提供的掺铒光纤放大器包括与输入端口连接的第一光隔离、与输出端口连接的第二光隔离器以及用于输出泵浦光的泵浦光源，并且还设有由两根光纤熔融拉锥而成的分光合光器件，分光合光器件的中部具有熔融拉锥区，熔融拉锥区的第一侧具有接收泵浦光的第一光输入端口及接收从第一光隔离器出射的信号光的第二光输入端口，熔融拉锥区的第二侧具有输出泵浦光按预定耦合比与信号光合光形成的第一出射光束的第一光输出端口及输出泵浦光按互补耦合比分光形成的第二出射光束的第二光输出端口，第一光输出端口通过第一掺铒光纤向一合光器件输出第一出射光束，第二光输出端口向合光器件输出第二出射光束，合光器件的输出端口通过第二掺铒光纤与第二光隔离器连接。

由上述方案可见，掺铒光纤放大器使用分光合光器件对泵浦光进行分光，分光后的其中一路泵浦光与入射到分光合光器件的信号光进行合光，分光后的另一路泵浦光注入到合光器件中。这样，分光合光器件对泵浦光进行分光且分光后的泵浦光与入射的信号光合光，替代现有的掺铒光纤放大器中的分光器件及一个合光器件，降低掺铒光纤放大器的生产成本，也有利于其体积小型化。

附图说明

图1是双光纤熔融拉锥区的结构示意图。

图2是光纤经熔融拉锥模型的结构示意图。

图3是波长为1550纳米与波长为1310纳米的光束经过熔融拉锥区后的耦合比随熔融拉锥区长度变化的曲线图。

图4是现有一种分光器件的结构示意图。

图5是现有分光器件制作过程的示意图。

图6是现有一种掺铒光纤放大器的结构示意图。

图7是本发明分光合光器件实施例的结构示意图。

图8是本发明掺铒光纤放大器实施例的结构示意图。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

具体实施方式

本发明的分光合光器件用于对入射光束进行分光并同时进行合光，即在一个器件内同时实现分光与合光的功能。

分光合光器件及其制造方法实施例：

参见图7，分光合光器件由两根光纤71、72绞合后熔融拉锥而成。分光合光器件的中部为熔融拉锥后形成的熔融拉锥区73，在熔融拉锥区73的一侧设置有两个光输入端口74、75，在熔融拉锥区73的另一侧设有两个光输出端口76、77。

光输入端口74、75用于接收入射的光束，如光输入端口74接收波长为λ1的第一入射光束，光输入端口75接收波长为λ2的第一入射光束，两束入射光束的光功率不一定相等。

两束入射光束在熔融拉锥区73内发生耦合。例如，从光输入端口74入射的第一入射光束经过熔融拉锥区73后，分别从光输出端口76、77出射，且理论上从光输出端口76、77出射的波长为λ1的光束的光功率之和等于第一入射光束的光功率。因此，从光输出端口76出射的波长为λ1的光束的光功率与第一入射光束的光功率比值即为其耦合比，而从光输出端口77出射的波长为λ1的光束的光功率与第一入射光束的光功率比值为互补耦合比，耦合比与互补耦合比的和应该是100％。并且，从光输出端口76出射的波长为λ1的光束的光功率与从光输出端口77出射的波长为λ1的光束的光功率的比值为第一入射光束的分光比。例如，需要对第一入射光束进行平均分光，分光比为5∶5。当然，分光比还可以是3∶7、5∶95等其他比值。

同理，从光输入端口75入射的第二入射光束经过熔融拉锥区73后也是分别从光输出端口76、77出射。

光输出端口76、77用于输出出射光束，从光输出端口76出射的第一出射光束包含波长为λ1的光束以及波长为λ2的光束，而从光输出端口77出射的第二出射光束可能包含波长为λ1的光束以及波长为λ2的光束，不同波长的光束从不同的光输出端口76、77出射时的光功率不相同。

制造分光合光器件时，将两根光纤71、72绞合，然后对绞合区域进行加热，同时缓慢地拉伸两根光纤71、72的两端，即对两根光纤71、72进行熔融拉锥处理。同时，向光输入端口74注入波长为λ1的光束，如波长为980纳米的光束，并向光输入端口75注入波长为λ2的光束，如波长为1550纳米的光束。

同时，使用光功率器分别检测从光输出端口76、77输出的光束的光功率，当然，光功率器是分别检测从光输出端口76、77输出的波长为λ1的光束的光功率及波长为λ2的光束的光功率。

本发明的分光合光器件需要对波长为λ1的光束进行分光，且分光后的一部分光束与波长为λ2的光束合光形成第一出射光束，从光输出端口76出射，波长为λ1的光束分光后的另一部分光束将作为第二出射光束从光输出端口77出射。

根据前面介绍的光纤熔融拉锥的模耦合原理，入射光束在两个光输出端口处输出的光束的耦合比随熔融拉锥区的长度而周期性的变化，且变化周期越来越频密。因此，熔融拉锥过程中，需要实时监测光功率器所检测的光功率数值，如检测第一出射光束的光功率表示第一入射光束的耦合比为预定耦合比，例如50％，且第二入射光束的耦合比接近于100％时，认为分光合光器件满足预定的设计要求，停止熔融拉锥操作。

优选地，同时对第二出射光束的光功率进行检测，如检测第二出射光束的光功率表示第二入射光束的互补耦合比，即50％，表示分光合光器件的两个光输出端口76、77输出的光束均满足要求。

在熔融拉锥的过程中，若第一入射光束未能按预定的分光比进行分光，或者第二入射光束未能基本完全耦合至其中一根光纤中，表示分光合光器件未符合预定的设计要求，需要继续熔融拉锥，直至熔融拉锥区的长度满足分光、合光的要求为止。

使用上述方法制造的分光合光器件能够对入射的两束波长不同的光束进行分光、合光，例如，向光输入端口74注入波长大约为980纳米的光束，向光输入端口注入波长大约为1550纳米的光束，从光输出端口检测的两束光束的插入损耗如下表所示。

表1

表2

从表1与表2可见，波长大约为980纳米的光束从光输出端口76、77出射的插入损耗大致相等，但波长大约为1550纳米的光束从光输出端口76出射的插入损耗非常小，但从光输出端口77出射的光束插入损耗较大，表示分光合光器件对波长大约为980纳米的光束实现大致为5∶5的分光，而对于波长大约为1550纳米的光束，基本完全耦合至光输出端口76中。

当然，第一入射光束的分光比可以根据分光合光器件的实际使用情况确定，常见的分光比为5∶5，当然也有为3∶7等的分光比。根据分光比不相同，预定的耦合比也不尽相同，优选地，第一入射光束的预定耦合比在30％至70％之间，则其互补耦合比在70％至30％之间。

本发明的分光合光器件可以应用在掺铒光纤放大器等多种光学器件中。

掺铒光纤放大器实施例：

参见图8，本实施例的掺铒光纤放大器具有输入端口91以及输出端口103，耦合器92与输入端口91连接，将入射的信号光分出大约5％至光电探测器93，剩余的部分通过光隔离器94出射至分光合光器件70。分光合光器件70的光输入端口75接收信号光，另一个输入端口74接收泵浦光源95产生的泵浦光，如波长为980纳米的激光。

分光合光器件70对泵浦光进行分光，如按照分光比5∶5进行分光，分光后的一部分与入射至分光合光器件70的信号光进行合光，从光输出端口76出射，另一部分泵浦光经光输出端口77出射至合光器件98。

从光输出端口76出射的光束经过掺铒光纤96，信号光的光功率在掺铒光纤96内放大，并经过光隔离器97入射至合光器件98中。合光器件98接收经过掺铒光纤96放大后的信号光，并且还接收来自分光合光器件70出射的泵浦光，信号光与泵浦光在合光器件98内再次合光，并出射至掺铒光纤99中，信号光的光功率再次放大，并经光隔离器100后出射至耦合器101，耦合器101将信号光分出大约5％至光电探测器102，由光电探测器102检测出射光束的光功率。当然，从耦合器102出射的大部分光束经过掺铒光纤放大器的输出端口103出射。

本实施例的掺铒光纤放大器也是使用分光合光器件对泵浦光同时进行分光与合光，降低掺铒光纤放大器的生产成本，也减小其体积。

当然，上述实施例仅是本发明优选的实施方案，实际应用时还可有更多的改变，例如掺铒光纤放大器的输入端口及输出端口处不设置耦合器，即输入端口直接与光隔离器连接，输出端口直接与光隔离器连接；或者，掺铒光纤放大器第二实施例中，第一段掺铒光纤与合光器件之间不设置光隔离器等，这样的改变并不会影响本发明的实施。

最后需要强调的是，本发明不限于上述实施方式，如分光合光器件对入射光束的分光比的改变、入射至分光合光器件的两束入射光束的波长的改变等变化也应该包括在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.分光合光器件，其特征在于：

所述分光合光器件由两根光纤熔融拉锥而成，所述分光合光器件的中部具有熔融拉锥区，所述熔融拉锥区的第一侧具有接收第一波长的第一入射光束的第一光输入端口及接收第二波长的第二入射光束的第二光输入端口，所述熔融拉锥区的第二侧具有输出所述第一入射光束按预定耦合比与所述第二入射光束合光形成的第一出射光束的第一光输出端口及输出所述第二入射光束按互补耦合比分光形成的第二出射光束的第二光输出端口。

2.根据权利要求1所述的分光合光器件，其特征在于：

所述预定耦合比为30％至70％。

3.分光合光器件的制造方法，包括

将两根光纤绞合并进行熔融拉锥，向两根所述光纤的输入端口分别输入第一波长的第一入射光束及第二波长的第二入射光束，分别检测从两根所述光纤的输出端口出射的第一出射光束及第二出射光束的光功率；

其特征在于：

在检测所述第一出射光束的光功率为所述第一入射光束按预定耦合比与所述第二入射光束合光后的光功率时，停止所述熔融拉锥操作。

4.根据权利要求3所述的分光合光器件的制造方法，其特征在于：

停止所述熔融拉锥前，检测所述第二出射光束的光功率是否为所述第一入射光束按互补耦合比分光后的光功率。

5.根据权利要求3或4所述的分光合光器件的制造方法，其特征在于：

检测所述第一出射光束的光功率的步骤是将光功率器放置在一根所述光纤的光输出端口，使用所述光功率器检测所述第一出射光束的光功率。

6.掺铒光纤放大器，包括

与输入端口连接的第一光隔离器；

与输出端口连接的第二光隔离器；

用于输出泵浦光的泵浦光源；

其特征在于：

由两根光纤熔融拉锥而成的分光合光器件，所述分光合光器件的中部具有熔融拉锥区，所述熔融拉锥区的第一侧具有接收所述泵浦光的第一光输入端口及接收从所述第一光隔离器出射的信号光的第二光输入端口，所述熔融拉锥区的第二侧具有输出所述泵浦光按预定耦合比与所述信号光合光形成的第一出射光束的第一光输出端口及输出所述泵浦光按互补耦合比分光形成的第二出射光束的第二光输出端口；

所述第一光输出端口通过第一掺铒光纤向一合光器件输出所述第一出射光束，所述第二光输出端口向所述合光器件输出所述第二出射光束，所述合光器件的输出端口通过第二掺铒光纤与所述第二光隔离器连接。

7.根据权利要求6所述的掺铒光纤放大器，其特征在于：

所述第一光输出端口与所述合光器件的输入端口之间连接有第三光隔离器。

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